1.引言

滾壓成形技術(shù)在大約100年以前，就被用于螺紋零件的制造中，并獲得了成功。對于齒輪零件來說，同樣人們很早就開始運用滾壓成形技術(shù)對其進(jìn)行加工。不同的是，齒輪輪齒部分的成形精度要求，要比螺紋牙成形嚴(yán)格得多。輪齒成形精度低、模具壽命短等因素制約該技術(shù)的發(fā)展。50年代，不少學(xué)者以提高輪齒成形質(zhì)量，解決實用化問題為目的，進(jìn)行了齒輪的滾壓成形研究。70年代出現(xiàn)采用內(nèi)嚙合滾壓成形的加工方法，最為代表的是由波蘭的Marciniak等人創(chuàng)立的WPM法。WPM法是用一對扇形齒輪作成形刀具，分別通過兩個偏心軸使扇形滾刀作圓周運動后將輪坯齒形包絡(luò)出來。WPM法為內(nèi)齒成形刀具，較外齒滾刀強(qiáng)度好，且刀具與輪坯之間周向接觸弧長，相對滑動速度小，具有成形質(zhì)量好，刀具壽命長的特點。隨后西德的Weck等人又采用Grob法進(jìn)行了直齒輪塑性成形研究。Grob法為仿形法，沿軸向進(jìn)給。需分度回轉(zhuǎn)才能完成全部輪齒的加工，加工精度較范成法低。但適合加工花鍵軸一類的長形零件。冷擠滾壓成形存在成品合格率、生產(chǎn)效率等方面的問題，推廣運用受到限制。為此，熱擠滾壓成形技術(shù)得到關(guān)注，日本學(xué)者成瀬政南早在50年代開始研究熱擠滾壓齒輪技術(shù)。與冷擠滾壓不同，熱擠滾壓設(shè)置一對齒形滾輪沿橫向進(jìn)給，工件用高頻線圈加熱，成形壓力明顯下降，且輪齒容易成形。由于影響熱擠滾壓齒輪質(zhì)量（如精度、材料流動、成形缺陷及熱處理后強(qiáng)度等）的因素較多，后來日本學(xué)者団野等又進(jìn)行了熱擠滾壓齒輪成形條件諸多影響因素的實驗研究。進(jìn)入80年代，滾壓成形技術(shù)研究向高品質(zhì)，低成本的“凈成形”加工方向發(fā)展，并運用模擬仿真技術(shù)進(jìn)行試驗研究。
2.滾壓成形原理

滾壓成形有范成和仿形兩種方法。范成法多用于齒輪成形，仿形法適合花鍵軸加工。范成法原理如圖1所示，是通過橫向進(jìn)給，使齒輪滾刀①與加工齒輪②嚙合傳動，輪坯受擠壓塑性變形后，被包絡(luò)出齒形。齒輪滾刀還可做成齒條形狀或內(nèi)齒輪形狀。


在范成法滾壓成形過程中，齒輪刀具周節(jié)p1應(yīng)與輪坯周節(jié)p2相等。如圖2所示，設(shè)齒輪滾刀為驅(qū)動輪，其頂圓直徑為d1，齒數(shù)為Z1；輪坯為被動輪，其直徑為d2，所加工齒數(shù)為Z2，且存在幾何關(guān)系如下：

（1）式中θ為周節(jié)p對應(yīng)的圓心角。θ＝且有

由（2）式可知，齒輪刀具直徑d1不僅與Z1有關(guān)，還與輪坯直徑d2及齒數(shù)Z2有關(guān)。如果范成時，僅提供一個回轉(zhuǎn)動力(如滾刀為主動)，則輪坯被滾刀驅(qū)動而擠壓成形。此時滾刀直徑d1應(yīng)符合（2）式條件。如果同時驅(qū)動刀具和輪坯,并按一定的傳動比轉(zhuǎn)動進(jìn)行滾壓加工時（即稱為強(qiáng)迫滾壓成形），齒輪刀具直徑d1可不受此條件約束。而只需考慮模數(shù)，壓力角和螺旋角即可，這樣可擴(kuò)大齒輪刀具的加工范圍。但是嚙合點處兩輪的圓周速度不等，導(dǎo)致滾刀輪齒根部彎曲應(yīng)力增加。
3.冷擠滾壓成形
在常溫下用范成法對輪坯進(jìn)行滾壓成形時，輪齒是經(jīng)過數(shù)次滾壓形成的，理論上齒根的壓入量正好是齒頂?shù)耐蛊鹆浚珜嶋H上齒頂?shù)耐蛊鹗瞧蛞环降模鐖D3所示。輪齒的成形質(zhì)量與毛坯材料、滾擠壓力,圓周速度及滾壓次數(shù)等工藝參數(shù)有關(guān)。當(dāng)參數(shù)選擇不當(dāng)時，會出現(xiàn)齒頂處卷料下凹現(xiàn)象，如圖4所示。這是由于齒面材料流動與心部材料流動速度不等引起的。實驗研究表明它與刀具的壓入量和輪坯圓周速度有關(guān)，與壓入量成反比，與圓周速度成正比。對無加工硬化的材料，可完全消除卷料現(xiàn)象。但對有加工硬化發(fā)生的材料，則難以完全避免。



刀具與輪坯表面接觸時的滾擠壓力變化是影響輪齒成形質(zhì)量的一個重要因素，滾擠壓力除受材料的抗拉強(qiáng)度及壓入量影響，還與成形中嚙合狀態(tài)有關(guān)。刀具轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時壓出輪齒溝槽，刀具轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)后，嚙合輪齒數(shù)目發(fā)生變化，滾擠壓力也發(fā)生變化。如在刀具齒形中部（即節(jié)線附近處），嚙合齒數(shù)目較少，所承受的滾擠壓力較頂部和根部大。齒面滾擠壓力還受材料冷作硬化影響，即隨著回轉(zhuǎn)次數(shù)增加，材料的抗拉強(qiáng)度提高，滾擠壓力增大。滾壓過程中，滾擠壓力的變化、輪齒表面粗糙度、齒形誤差與滾壓次數(shù)關(guān)系，可通過實驗測定，如圖5所示為鋁合金材料的實驗測定結(jié)果。滾壓冷成形后，輪齒材料組織得到改善，表面硬度由里向外得到明顯提高，如圖6所示。


4.熱擠滾壓成形
冷擠滾壓的運用受材料和齒輪尺寸限制，對抗拉強(qiáng)度高及大模數(shù)齒輪的滾壓時，采用對輪坯加熱，使材料塑性增大，實現(xiàn)較低壓力下輪齒的滾壓成形。但輪齒在熱擠成形過程中，受諸多因素影響，導(dǎo)致最終成形品質(zhì)控制比較困難，影響熱擠滾壓法的運用。對金屬加熱到在結(jié)晶溫度以上進(jìn)行滾壓變形時，將發(fā)生動靜態(tài)回復(fù)、再結(jié)晶及加工硬化消除等變化，使金屬處于高塑性，低變形抗力的軟化狀態(tài)，便于成形加工。但溫度過高時，再結(jié)晶形核后，通過晶界遷移使晶粒長大，影響材料的力學(xué)性能。故熱擠溫度在8500C～10000C范圍合適。加熱方式采用高頻線圈感應(yīng)加熱，如圖7所示。

熱擠滾壓時,齒面材料的塑性流動和接觸面上滾擠壓力的變化是影響輪齒成形精度的重要因素。在滾壓齒輪受擠壓力和接觸摩擦力作用下，材料塑性流動情況如圖8所示，輪齒前成形面（q）和后成形面（h）上材料流動方向各異。在節(jié)線附近，q面材料受擠壓，沿齒頂向刀具齒間底部空間流動；h面材料則相反，在滾刀齒根部作用下，沿齒頂向下流動。在q面上，流向齒頂?shù)牟牧吓錾系毒啐X間槽底部受阻后卷曲，形成頂部下凹的表面。這一現(xiàn)象可通過控制坯料加熱層厚度和刀具壓入量加以避免。其條件為：

上式中 m為被加工齒輪模數(shù)，c為齒頂間隙mm，rb 輪坯半徑mm，r2 為節(jié)圓半徑mm，kr為由材料決定的系數(shù)。
在齒根部，受滾刀頂部滾壓，材料由齒根底部向齒頂流動。齒根底部彎曲狹窄，流通不暢，坯料與滾刀齒頂產(chǎn)生劇烈摩擦，當(dāng)滾刀頂部圓角半徑較小時，根部表面會有鱗片狀金屬脫落,如圖8中陰影部分。因此，刀具頂部應(yīng)設(shè)計較大的圓角半徑，并保證有充分的潤滑。齒根與齒頂部材料的反相流動會造成中部齒形曲線下凹，產(chǎn)生齒形誤差。如圖9所示為熱擠滾壓時對齒形曲線測定的結(jié)果，圖中齒形中央出現(xiàn)下凹變形可通過對刀具齒形進(jìn)行修正來加以解決。另外，滾壓成形時，材料沿齒高方向塑性流動的同時會向兩端面移動。為防止材料向兩端部流動，在滾壓模具兩側(cè)設(shè)置有約束板，保證兩側(cè)端面平整。

5.結(jié)束語
齒輪的滾壓成形技術(shù)經(jīng)過數(shù)年發(fā)展，現(xiàn)已進(jìn)入實用階段。綜合各類研究成果得到如下結(jié)論：
①滾壓成形技術(shù)能加工5級精度的圓柱齒輪，尤其是能解決斜齒輪擠壓成形時的拔模問題。且成形壓力小，成形設(shè)備制造容易；
②對于抗拉強(qiáng)度低的材料或小模數(shù)（m<3）的齒輪，采用冷擠滾壓工藝較為合適。對于抗拉強(qiáng)度高及模數(shù)大的齒輪，應(yīng)采用熱擠滾壓加工；
③冷擠滾壓時，控制滾擠壓力，選擇滾壓次數(shù)，改變回轉(zhuǎn)方向可提高輪齒成形的精度。
④熱擠滾壓時，所需成形壓力較小，且刀具輪齒與加工齒輪接觸時間短，有利于刀具冷卻和潤滑；
⑤熱擠滾壓輪坯的加熱層厚度、每轉(zhuǎn)中的滾擠壓入量及圓周速度、接觸面上的潤滑狀態(tài)等是保證成形質(zhì)量的重要因素。其相互之間的關(guān)系及影響需通過實驗得到明確。
隨著齒輪零件形狀復(fù)雜化，還出現(xiàn)像錐形內(nèi)齒輪，圓弧（包括齒向圓弧）齒輪、錯齒（斜）齒輪、非圓形齒輪等特殊結(jié)構(gòu)零件，這類齒輪都需要用塑性成形的方法去加工。為此，還需要對金屬塑性成形技術(shù)從理論上，從工藝方法上作更深入的研究。